星际穿越？加速光束在弯曲空间中的传播

▲加速光束沿非测地线轨道传播，而非沿非加速光束传播时的测地线轨道。

加速光束在平面上的传播受其加速度的影响，传播轨迹变为曲线，而不再是直线。将加速光束的研究拓展至曲面，可为物理学研究打开更多新的大门。近日，物理学家Anatoly Patsyk, Miguel A和以色列理工学院的Mordechai Segev，以及哈佛大学、哈佛-史密松天体物理学中心的Rivka Bekenstein，在最近一期的《物理评论X》中发表了关于加速光束在弯曲空间中传播的论文。文章表示，通过在一盏白炽灯的内壳中发射一束激光，他们首次以实验的方式展示了加速光束在弯曲空间中的传播情况。加速光束因为自身的加速偏离了测地线轨道，而非沿着测地线轨道（曲面上的最短路径）传播。“这将为加速光束领域的研究翻开新的篇章”，Patsyk接受Phys.org采访时讲到，“在此之前，对于加速光束的研究，只局限于具有平面几何形状的介质中，例如平面自由空间和平板波导。在我们的研究中，光束是在弯曲介质中沿着曲线轨迹传播的。”

实验中，研究人员首先采用空间光调制器，将普通的激光束转换为加速光束。正如科学家们解释的那样，这将为光束标记一个特定的波前。转换后的加速光束，将兼具加速和定型两个特点，这意味着它在弯曲介质中的传播将异于普通光束。接下来，加速光束就被发射到白炽灯（实验前已经做过可散射光线的处理，以展示加速光束的传播）的内壳中。当加速光束在灯泡内部传播时，其传播轨迹偏离了测地线。为了进行对比，研究人员也在灯泡内壳中进行了非加速光束的实验，发现非加速光束的传播轨迹与测地线吻合。通过比对两组轨迹线的差异，研究人员确定了加速光束的加速度。

▲(a) 实验装置， (b) 绿色光束在红色白炽灯内壳中的传播， (c) 加速光束照片。

虽然加速光束在平面上的传播轨迹完全是由光束宽度（束宽）决定的，但Patsyk等的最新研究成果表明，决定加速光束在球面传播轨迹的因素有两个——束宽和表面曲率。因此，在曲率的影响下，加速光束在改变其轨迹的同时，也会周期性的聚焦和散焦。在曲面上实现光束的加速有诸多潜在的应用价值，例如模拟广义相对论现象。

“爱因斯坦的广义相对论方程确定了电磁波在弯曲空间中的演化，”Patsyk说道，“事实证明，根据爱因斯坦的公式，电磁波在弯曲空间中的演化与电磁波在物质媒介中的传播是同等的，而这些物质媒介的磁化率是存在差异的。这是通过电磁波在物质媒介中的传播来模拟很多广义相对论现象的基础，例如我们已经研究较深入的引力透镜、爱因斯坦环、引力蓝移或红移等。将来，我们还会研究更多。”

Patsyk等的研究成果对于血管、微通道以及其他弯曲环境中的纳米颗粒控制产生积极作用。加速等离子体束（由等离子体振荡产生）或可用于弯曲面上的能量转移。研究人员计划在将来进一步探索实现这些潜在应用的可能性。

Patsyk说：“我们正在研究光束在弯曲薄膜（分子厚度的肥皂泡）中传播的可能性。此外，我们也在研究线性和非线性波动现象——激光束会影响薄膜的厚度，而反过来，薄膜也会影响光束的传播。”

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编译：雷鑫宇 审稿：alone  编辑：张梦

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